高电压技术第二章2教学材料

电缆油等矿物油
二. 液体电介质的击穿理论 电击穿：认为在电场作用下，阴极上由于强场发 射或热发射出来的电子产生碰撞电离形成电子崩， 最后导致液体击穿
气泡击穿：认为液体分子由电子碰撞而产生气 泡，或在电场作用下因其它原因产生气泡，由气 泡内的气体放 电，产生电和热而引起液体击穿。
液体中气泡产生的原因：
2. 电场均匀程度与介质厚度
处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随 厚度的增加近似地成线性增大；若在不均匀电场中，介质厚度 增加将使电场更不均匀，于是击穿电压不再随厚度的增加而线 性上升。当厚度增加到使散热困难到可能引起热击穿时，增加 厚度的意义就更小了。
常用的固体介质一般都含有杂质和气隙，这时即使处于 均匀电场中，介质内部的电场分布也是不均匀的，最大电场 强度集中在气隙处，使击穿电压下降。如果经过真空干燥、 真空浸油或浸漆处理，则击穿电压可明显提高。
小结：
一. 电介质在弱电场下的电气特性 1. 极化的概念、基本形式和特点，介电常数ε 2. 电介质电导的概念、特征，电导率γ ，固体电介 质的体积绝缘电阻和表面绝缘电阻 3. 介质损耗的形式、介质的三支路等值电路、直流电压作 用下的吸收现象，交流电压作用下电介质的并联、串联等值 电路，介质损耗角tgδ 的意义，影响tgδ 的各种因素 二. 液体电介质的击穿
(2)热击穿电压随环境温度的升高而下降,热击穿电压直接与 散热条件有关．热击穿时间较长．
3. 电化学击穿：固体介质在长期（几个月乃至几年）工作
电压下，由于介质内部缺陷，导致发生局部放电，产生的 腐蚀性物质使使绝缘劣化，电气强度逐渐下降并引起的击 穿。
局部放电使电介质劣化损伤的机理：
• 绝缘层表面污秽，形成泄漏电流，引起热破坏，称为电老化，发展下 去电击穿或热击穿．
判断油的质量，依靠测量其电气强度、tgδ和含水量等 。其中最重要的试验项目是用标准油杯测量油的工频击穿 电压。我国采用的标准油杯极间距离为2.5mm，电极是直 径等于25mm的圆盘型铜电极，电极的边缘加工成半径为 2.5mm的半圆以减弱边缘效应。
三. 影响液体介质击穿电压的因素
1.电压形式和电极形状的影响
4. 受潮
对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介 质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；容易吸潮的极性介质 ，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥 时的百分之几或更低。因为电导率和介质损耗大大增加的缘 故。
5. 累积效应
固体介质在不均匀电场中以及在幅值不是很高的过电压 、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并 留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损 伤会逐步发展，这称为累积效应。它会导致固体介质击穿电 压的下降。
1. 油中易挥发的成分； 2. 阴极的强场发射或热发射的电子电流加热液体介质，分解
出气体； 3. 溶解于油中的外来气体； 4. 由电场加速的电子碰撞液体分子，使液体分子解离产生气
体； 5. 电极上尖的或不规则的凸起物上的电晕放电引起液体气化
纤维桥接击穿：（小桥理论）
工程用变压器油中含有水分和纤维等杂质，由于它们的 r 很大
1
103
周期性过电压 交流试验电压
t/s 106
持续运行电压
二. 击穿理论 1. 电击穿：在强电场下电介质内部电子剧烈运动，
发生碰撞电离，产生新的更多自由电子，这些二 次电子参与随后电离，形成电子崩，同时碰撞破 坏了固体介质的晶格结构，使电导增大而导致击
穿。
特点：电压作用时间短、击穿电压高，电介质发热 不显著；击穿场强与电场均匀程度密切相关，而
三. 油纸绝缘
油纸绝缘是以固体介质为主体的组合绝缘，液体只是用作 填充 空隙的浸渍剂。 广泛用于电缆、电容器、电容式套管等电力设备中。 缺点是：散热条件差、易受污染、受潮。
d2 d1
d
四. 组合绝缘中的电场分析
1 . 均匀电场双层介质
1E12E2
UE1d1E2d2
U
1
E 1
E 2
2
E11(d1/1Ud2/2)E12d(22U1)d2
lnr2 r0
1
2
lnrR2
0 r0 r2 R
r
例题:用多层介质计算绝缘材料中含气泡时，气泡
中电场增加的倍数。
设绝缘层的相对介电常数为1；气泡的相对介电 常数为1；外加交流电压为U，绝缘层和气泡中
电场分别为E1和E2，电极距离为d，气泡直径为r
解题：
d1=d-r；d2=r； E = U/d； E2 = 1U/(1d2 + 2d1)= 1U/[（1-1）r +d] 增加的倍数：(E2 –E)/E=d1/[(1 -1)r +d] – 1； 如1=1，则(E2 –E)/E=0; 如1=3，d = 10r, (E2 –E)/E = 30/12-1= 1.5, 即增加了1.5倍。 已知空气的Eb = 30kV/cm； 一般绝缘材料的Eb > 100kV/cm， 多层介质使用20%电场载荷时(20kV/cm),气泡中E2= 50kV/cm， 即气泡会产生击穿！
与周围环境温度无关。
2. 热击穿：由于固体介质内部热不稳定性造成。
电压作用下 介质损耗， 使介质发热
发热大于散 热时，介质温 度不断升高
介质分解、 熔化、碳化 或烧焦
热击穿
特点：
(1)在电压作用下，产生的电导电流和介质极化引起介质损耗， 使介质发热．发热温度升高，电导率进一步增大，温度进 一步上升，发热大于散热而击穿．
容易沿电场方向极化定向，排列成杂质小桥：
1. 如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串联，由于
纤维的 r大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强
度显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电 离增强，这样发展下去必然会出现由气体小桥引起的击穿。
2. 如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增
Chapter 2. 液体和固体介质的电气性能
液体介质和固体介质广泛用作电气设备的内绝 缘。应用的最多的液体介质是变压器油以及电容器 油和电缆油。用作内绝缘的固体介质常见的有绝缘 纸、纸板、云母、塑料等, 以及用于制造绝缘子的电 瓷、玻璃和硅橡胶等。
§2.2 液体电介质的击穿
一. 常用的液体介质 目前常用的主要有变压器油、电容器油、
水分和油温
Ub(kV)
悬浮状水滴在油中是十分有 40
害的，如右图，当含水量为 万
分之几时，它对击穿电压就有明
20
显的影响，这意味着油中已出现
悬浮状水滴；含水量达0.02%时
击穿电压已下降至约15kV，比
0
0.02
0.04 含水量(%)
不含水分时低很多 。含水量继
标准油杯实验
续增大击穿电压下降已不多，因为只有一定数量的水分能悬
击穿场强一般比气体和液体电介质高得多；空气 30kV/cm，变压器油120～250 kV/cm，云母(电击 穿)2000～3000kV/cm 击穿场强与电压作用时间有很大的关系； 绝缘是非自恢复的，一旦发生击穿，其绝缘性能不 能再自行恢复；
Eb
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
电击穿
热击穿
电化学击穿
10-6 10-3 短时电压
E2
U
2(d1/1d2/2)
d不变 d2， E1
油纸绝缘中，令1、1、E1 代表油层参数， 2、2、E2 代表浸渍纸参数，浸渍纸的电气强度比
油大得多在交流电压下，电压按介电常数反比分配，
则在直流2电1压,E下2 ，E 电1 压，按电电场导分率布反不比合分理配；，
则 21,E2E1 ，电场分布合理，
四. 提高固体电介质击穿电压的措施
1. 改进制造工艺 清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀
2. 改进绝缘设计
采用合理的绝缘结构；改进电极形状，使电场尽 可能均匀；改善电极与绝缘体的接触状态，消除 接触处的气隙
3. 改善运行条件 注意防潮、防尘；加强散热
五. 绝缘老化
电气设备的绝缘在运行过程中受到电、热、化 学和机械力的长期作用，导致其物理、化学、电气 和机械等性能的劣化，称为绝缘的老化。
在金属电极上贴固体绝缘薄层，可阻断杂质小桥
油本身品质越差，电压作用时间越长，效果越好。
3 ．绝缘层
当覆盖层厚度增大，本身承担一定电压时，成为绝缘层。
用在不均匀电场中，被覆在曲率半径较小的电极上 。
4 ．屏障
放在电极间油间隙中的固体绝缘板
作用可以割断杂质小桥的形成
§2.3 固体电介质的击穿
一. 固体介质击穿的特点
击穿电压跟电压的作用时间和电压上升率有关，电压作 用时间越长，Ｕb越小；电压上升越快Ｕb越大
2. 含水量、含气量
含水量越大击穿场强越小，但是降到某一极限时基本不变
3. 温度
含水量较低时，击穿场强基本与温度无关； 含水量较高时，击穿场强随温度上升而上升．
4. 杂质的影响 5. 油量的影响
油量越大，击穿场强越小，因为缺陷概率增加
浮于水中，多余的会沉淀到油底部。 潮湿的油由0℃开始 上升时，一部分水分从悬浮状态转为
害处较小的溶解状态，使击穿电压上升；超过80 ℃后，水开始
汽化，产生气泡，引起击穿电压下降，从而在60 ℃～80℃间出
现最大值
四、提高液体介质击穿电压的方法
１．提高油的品质
过滤；防潮；除去水分和气体
2 ．覆盖层
1. 电老化 (电解,局部放电)
2. 热老化
3. 固体介质的机械应力老化 4. 固体介质的环境老化
§2.4 组合绝缘的电气强度
一. 介质的组合原则 组合目的：同时满足电气性能、机械性能、 热性能的要求
配合原则：在外加电压的作用下，组合绝缘中 各层绝缘所承受的电场强度与其电气强度成正 比，这样整个组合绝缘的电气强度最高，各种 绝缘材料的利用最合理、最充分。